一种行星着陆避障轨迹约束函数设计方法技术

一种行星着陆避障轨迹约束函数设计方法，属于着陆器轨迹约束技术领域。解决了现有着陆器可运动的范围小，着陆轨迹的保守强，不利于着陆器制导律的设计的问题。本发明专利技术根据采集的行星表面障碍信息，将障碍等效为3种不同的空间几何形状，计算等效的空间几何形状的各个顶点的坐标信息；对着陆轨迹函数约束函数进行分段设计；当等效的空间几何形状为锥形和棱台形地形时，将轨迹约束函数划分为两段，当等效的空间几何形状为台阶状地形时，轨迹约束函数的段数取决于等效的台阶的阶数，n阶台阶的地形，轨迹约束函数划分为n+1段。本发明专利技术适用于行星着陆避障轨迹约束。着陆避障轨迹约束。着陆避障轨迹约束。

【技术实现步骤摘要】
一种行星着陆避障轨迹约束函数设计方法


[0001]本专利技术属于着陆器轨迹约束


技术介绍

[0002]随着航天技术的蓬勃发展，行星探测已经引起了广泛的关注，在过去的几十年里已经取得了举世瞩目的成就。行星着陆过程往往包含大气进入、下降与着陆三个阶段，其中着陆过程决定了整个行星探测的着陆精度，是保证着陆器安全的关键阶段，一直深受国内外广大学者的关注与研究。
[0003]在着陆过程中，由于行星表面存在陨石坑和山脉等崎岖不平的复杂地形，着陆器在进行着陆的过程中容易与行星表面的障碍发生碰撞，导致探测任务的失败。因此，与行星表面障碍的碰撞是直接影响着陆安全性的至关重要的因素，是着陆过程必须解决的关键性技术之一，已经成为了研究的热点之一。另外，随着探测任务的不断加深，未来的探测任务将更多的选择峡谷、陨石坑等复杂的地形作为着陆点以获得更具有科学考察意义的探测数据，在这种地形下的着陆，着陆器将面临更大的碰撞风险，对着陆器的自主避障能力的要求也越高。因此，如何对着陆过程的避障轨迹约束设计是丞需解决的关键技术问题。
[0004]目前主要采用斜坡约束或者松弛的斜坡约束对着陆器的着陆轨迹进行约束。采用斜坡约束对着陆器的着陆轨迹进行约束时，没有将着陆点周围的地形考虑进去，由于斜坡约束的存在，着陆器可运动的范围将大大减小，增加了着陆器着陆轨迹的保守性，不利于着陆器制导律的设计。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是为了解决现有着陆器可运动的范围小，着陆轨迹的保守强，不利于着陆器制导律的设计的问题，提出了一种行星着陆避障轨迹约束函数设计方法。
[0006]本专利技术所述一种行星着陆避障轨迹约束函数设计方法，具体方法为：
[0007]步骤一、根据采集的行星表面障碍信息，将障碍等效为3种不同的空间几何形状；包括锥形、棱台形和台阶形；
[0008]步骤二、计算等效的空间几何形状的各个顶点的坐标信息；
[0009]步骤三、根据等效的空间几何形状和几何形状各个顶点的坐标信息，对着陆轨迹约束函数进行分段设计；
[0010]具体为：当等效的空间几何形状为锥形和棱台形地形时，将轨迹约束函数划分为两段，第一段位于障碍的上方，第二段从障碍顶点到着陆点；
[0011]当等效的空间几何形状为台阶状地形时，轨迹约束函数的段数取决于等效的台阶的阶数，n阶台阶的地形，轨迹约束函数划分为(n+1)段，第一段位于障碍上方，最后一段位于最下边的台阶与着陆点之间，中间(n
‑
1)段位于台阶之间；
[0012]台阶状地形时第1段～第n段轨迹约束函数和锥形、棱台形地形时第1阶段的轨迹约束函数相同，台阶状地形第j段的轨迹约束函数具体为：
[0013][0014][0015]其中，ξ
ij
着陆器高度与等效障碍第j段障碍的高度误差，ξ
ij
＝z
‑
h
ij
,j＝1,2,...,n,i＝x,y，x,y表示着陆器水平面的两个坐标轴，i代表着陆器着陆过程中，水平面x方向分量或y方向分量，n是正整数，代表轨迹约束函数的总段数，w
ij
为第j段障碍边缘到着陆点的距离，h
ij
为第j段障碍的高度，z为着陆器的高度，k
ij1
＞0，k
ij2
＞0，k
ij3
＞0，k
ij1
是i方向的第j段轨迹约束函数的自适应参数的比例系数，k
ij2
是i方向的第j段轨迹约束函数的自适应参数的高度误差比例系数，k
ij3
是i方向的第j段轨迹约束函数的高度误差比例系数，k
ij
是i方向的第j段轨迹约束函数的自适应参数，是自适应参数k
ij
的导数，ρ
ij0
是i方向的第j段轨迹约束函数的初始值；
[0016]台阶状地形时第n+1段轨迹约束函数与锥形和棱台形地形时第2阶段的轨迹约束函数相同，第n+1段轨迹约束函数具体为：
[0017][0018][0019][0020]其中，ρ
i(n+1)
为i方向，第n+1段障碍的轨迹约束函数，k
i(n+1)1
＞0是i方向的第(n+1)段轨迹约束函数的自适应参数的比例系数，k
i(n+1)2
＞0是i方向的第(n+1)段轨迹约束函数的自适应参数的高度误差比例系数，k
i(n+1)3
＞0是i方向的第(n+1)段轨迹约束函数的高度误差比例系数，
z
为着陆器的高度，ρ
if
为i方向允许的最大着陆精度，z
f
为着陆器横侧向收敛到允许的最大着陆精度时对应的着陆器高度，ρ
i(n+1)0
是i方向的第n+1段轨迹约束函数的初始值，ξ
i(n+1)
着陆器高度与等效障碍第n+1段障碍的高度误差。
[0021]进一步地，当j＝1时，第一阶段的约束函数的初始值ρ
i10
满足：
[0022][0023]其中，ρ
i10
为i方向的第1段轨迹约束函数的初始值，z0为着陆器的初始高度，h
i1
是第1个障碍的高度，ξ
i10
着陆器初始高度与第1个障碍的高度误差；
[0024]当j＝2,...,n时，第j阶段的约束函数ρ
ij0
,j＝2,...,n,满足：
[0025][0026]w
i(j
‑
1)
为第(j
‑
1)个障碍在i方向到着陆点中心的距离，h
i(j
‑
1)
为第(j
‑
1)个障碍的高度；w
ij
为第j个障碍在i方向到着陆点中心的距离，h
ij
为第j个障碍的高度；
[0027]进一步地，对于锥形障碍和棱台形障碍第二阶段时，为了保证轨迹约束函数始终位于障碍外部，轨迹约束函数满足连接点处的斜率的绝对值小于规则几何形状的斜边的斜率。
[0028]进一步地，对于锥形障碍和棱台形障碍，第2阶段的约束函数的初始值ρ
i20
选择时满足：
[0029][0030]其中，(i1，z1)是障碍上面顶点的坐标，(i2，z2)是障碍底面顶点的坐标，是在连接点处的值，为在顶点处的切线斜率，为第2段轨迹约束函数的导数。
[0031]本专利技术充分考虑了选取的着陆点周围的地形，将行星表面的障碍等效为3种不同的规则的空间几何形状；通过设计非线性的轨迹约束函数，能够很好的拟合障碍等效的规则的空间几何形状的边缘，尽可能的提高着陆器在着陆过程的可运动空间，降低了系统的保守性；轨迹约束函数当着陆器的高度大于障碍高度时，可以提供很大的运动空间，减小了对着陆器的限制，降低了系统的保守性。
附图说明
[0032]图1是本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种行星着陆避障轨迹约束函数设计方法，其特征在于，具体方法为：步骤一、根据采集的行星表面障碍信息，将障碍等效为3种不同的空间几何形状；包括锥形、棱台形和台阶形；步骤二、计算等效的空间几何形状的各个顶点的坐标信息；步骤三、根据等效的空间几何形状和几何形状各个顶点的坐标信息，对着陆轨迹约束函数进行分段设计；具体为：当等效的空间几何形状为锥形和棱台形地形时，将轨迹约束函数划分为两段，第一段位于障碍的上方，第二段从障碍顶点到着陆点；当等效的空间几何形状为台阶状地形时，轨迹约束函数的段数取决于等效的台阶的阶数，n阶台阶的地形，轨迹约束函数划分为(n+1)段，第一段位于障碍上方，最后一段位于最下边的台阶与着陆点之间，中间(n
‑
1)段位于台阶之间；台阶状地形时第1段～第n段轨迹约束函数和锥形、棱台形地形时第1阶段的轨迹约束函数相同，台阶状地形第j段的轨迹约束函数具体为：函数相同，台阶状地形第j段的轨迹约束函数具体为：其中，ξ
ij
着陆器高度与等效障碍第j段障碍的高度误差，ξ
ij
＝z
‑
h
ij
,j＝1,2,...,n,i＝x,y，x,y表示着陆器水平面的两个坐标轴，i代表着陆器着陆过程中，水平面x方向分量或y方向分量，n是正整数，代表轨迹约束函数的总段数，w
ij
为第j段障碍边缘到着陆点的距离，h
ij
为第j段障碍的高度，z为着陆器的高度，k
ij1
＞0，k
ij2
＞0，k
ij3
＞0，k
ij1
是i方向的第j段轨迹约束函数的自适应参数的比例系数，k
ij2
是i方向的第j段轨迹约束函数的自适应参数的高度误差比例系数，k
ij3
是i方向的第j段轨迹约束函数的高度误差比例系数，k
ij
是i方向的第j段轨迹约束函数的自适应参数，是自适应参数k
ij
的导数，ρ
ij0
是i方向的第j段轨迹约束函数的初始值；台阶状地形时第n+1段轨迹约束函数与锥形和棱台形地形时第2阶段的轨迹约束函数相同，第n+1段轨迹约束函数具体为：相同，第n+1段轨迹约束函数具体为：相同，第n+1段轨迹约束函数具体为：其中，ρ
i(n+1)
为i方向第n+1段障碍的轨迹约...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭延宁，龚有敏，吕跃勇，马广富，李传江，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：